CN109312724A - 双稳态致动器装置 - Google Patents

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Abstract

一种致动器装置，其包括人造肌肉纤维的第一致动区段，其中所述第一致动区段的一端连接到第一端子并且所述第一致动区段的另一端连接到第二端子。所述装置还包括人造肌肉纤维的第二致动区段，其中所述第二致动区段的一端连接到第三端子并且所述第二致动区段的另一端连接到第四端子。所述装置还包括：桨叶，所述桨叶布置在所述第一致动区段和所述第二致动区段两者上；和加热器件(provision)，所述加热器件布置在所述第一致动区段和所述第二致动区段上。所述加热器件独立地提供呈热形式的能量到所述第一致动区段和所述第二致动区段，并且所述致动器装置通过启用所述第一致动区段和所述第二区段来将所述桨叶移动到所需位置。

Description

双稳态致动器装置
相关申请的交叉引用
本申请根据美国法典第35卷第119条第(e)项要求2016年4月29日提交的美国临时申请号62/329,803和2016年6月14日提交的美国临时申请号62/350,113的优先权，所述申请均以全文引用方式并入本文。
发明背景
基于捻合(twisted)聚合物和碳纳米管(CNT)纤维和纱线的热驱动式扭转致动器本质上是单稳态的，因此很不便利。换句话说，致动器可能需要连续的能量供应以保持启用状态。例如，如果此类致动器不利用致动器周围环境中的任何温度变化，那么可能需要连续的热能供应才能将致动器的温度保持为足以保持启用。此类能量可以电气方式、以化学方式或甚至以光子方式供应。可将诸如闩锁和棘轮的机械机构添加到此类热驱动式扭转致动器中，以便将致动器锁定在启用位置；但是，添加此类机构可能会增大致动器的机械复杂性。
发明概述
在一个方面中，本发明的实施方案涉及一种致动器装置，其包括人造肌肉纤维的第一致动区段，其中所述第一致动区段的一端连接到第一端子并且所述第一致动区段的另一端连接到第二端子。所述装置还包括人造肌肉纤维的第二致动区段，其中所述第二致动区段的一端连接到第三端子并且所述第二致动区段的另一端连接到第四端子。所述装置还包括：桨叶，所述桨叶布置在所述第一致动区段和所述第二致动区段两者上；和加热器件(provision)，所述加热器件布置在所述第一致动区段和所述第二致动区段上。所述加热器件独立地提供呈热形式的能量到所述第一致动区段和所述第二致动区段，并且所述致动器装置通过启用所述第一致动区段和所述第二区段来将所述桨叶移动到所需位置。
在另一个方面中，本发明的实施方案涉及一种用于制造致动器装置的方法，所述方法包括捻合包括纤维和致动纱线客体的人造肌肉纤维，所述致动纱线客体可操作用于经受由变化过程造成的体积变化。所述方法还包括通过使致动器材料热退火来使人造肌肉纤维硬化，以及将人造肌肉纤维切割成第一致动区段和第二致动区段。第一致动区段的一端固定到第一端子并且另一端固定到第二端子，同时第二致动区段的一端固定到第三端子并且另一端固定到第四端子。桨叶布置在所述第一致动区段和所述第二致动区段两者上并且加热器件也布置在所述第一致动区段和所述第二致动区段上。所述加热器件独立地提供呈热形式的能量到所述第一致动区段和所述第二致动区段。
所述致动器装置通过使用所述加热器件启用所述第一致动区段或所述第二致动区段来将所述桨叶旋转到所需位置。在运作期间，致动器通过启用第一致动区段中的第一致动能量，停用到第一致动区段的致动能量并且启用到第二致动区段的第二致动能量来将负荷移动到所需位置。所需的致动能量的量取决于所使用的材料和环境条件。
本方明的其他方面和优势通过以下描述和附加权利要求书而变得显而易知。
附图简述
图1A-1E为根据本发明的一个或多个实施方案的示意图。
图2为根据本发明的一个或多个实施方案的流程图。
图3为根据本发明的一个或多个实施方案的曲线图。
图4为根据本发明的一个或多个实施方案的示意图。
图5为根据本发明的一个或多个实施方案的示意图。
图6为根据本发明的一个或多个实施方案的示意图。
图7为根据本发明的一个或多个实施方案的曲线图。
图8为根据本发明的一个或多个实施方案的示意图。
图9为根据本发明的一个或多个实施方案的示意图。
详述
现在将参考附图详细地描述本发明的实施方案。为了一致性，各个图中类似的元件可由类似的参考号表示。另外，在以下对本发明的实施方案的详细描述中，阐述了许多具体细节，以帮助更深入地理解要求保护的主题。但是，本领域的普通技术人员应明白，本文中公开的实施方案可在不使用这些具体细节的情况下加以实践。在其他情况下，没有详细描述众所周知的特征部，以避免不必要地使说明书变得复杂。
一般来讲，本发明的实施方案涉及一种致动器装置和一种制造所述致动器装置的方法。具体来说，本发明的实施方案涉及一种致动器几何结构和启用顺序，其允许基于单个捻合纤维的扭转致动器是双稳态的，即，在至少两个不同位置中稳定。双稳态致动器的一个或多个实施方案可不需要任何附加机械部件。另外，双稳态致动器的一个或多个实施方案可不受环境温度的变化影响。
基于捻合纤维和纳米纤维的热驱动式扭转/拉伸致动器缺乏针对启用位置的闩锁机构。换句话说，此类致动器需要能量才可保持启用。迄今为止，热驱动式捻合/盘绕致动器的实施例都是单稳态的(仅在停用状态下稳定)。
本发明的实施方案包括如2015年1月30日提交的美国专利申请号14/610,905中所述的致动材料，所述申请的内容以全文引用方式并入本文。本发明的一个或多个实施方案的简单设计可以实现可附接到刚性或柔性基底的复杂阵列的制造。另外，与美国专利申请号14/610,905中所公开的实施方案相反，本发明的实施方案涉及一种双稳态致动器组件，所述双稳态致动器组件不需要连续的能量供应即可维持启用。
本发明的实施方案包括致动器材料或人造肌肉，包括捻纺(twist-spun)纳米纤维纱线和捻合聚合物纤维，它们以电气方式、以光子方式、以热学方式、以化学方式、通过吸收或通过其他手段提供动力时生成扭转和/或拉伸致动。本发明的实施方案包括致动器，所述致动器利用非盘绕或盘绕纱线或聚合物纤维并且可为纯净的或包括客体。“人造肌肉纤维”一词在本文中一般情况下用于描述纳米纤维纱线和捻合聚合物纤维、或执行致动的纳米纤维纱线和捻合聚合物纤维的集合(束)。
本发明的一个或多个实施方案可通过在纱线中并入固体客体材料以生成产生拉伸和扭转致动的体积变化，消除对电解质、某些对电极和/或特殊包装的需要。如本文中所使用，“拉伸致动”一词表示致动器在长度方向上的致动，不管致动器在致动步骤期间在长度方向上是伸长还是收缩。例如，在混合纳米管致动器中，捻纺纳米管可将致动客体限制为固体和熔融状态，并且提供机械强度和螺旋状几何结构，从而实现扭转致动和增强的拉伸致动。纱线致动器结构可进行工程化，以便最大化扭转或拉伸致动。根据本发明的一个或多个实施方案，可逆致动可以电气方式、以光子方式或以化学方式提供动力。
在本发明的一个或多个实施方案中，可提供循环寿命长、行程长(large-stroke)并且速率高的扭转和拉伸致动器，所述致动器：展示作为致动元件的纯净或混合捻纺纳米管纱线；不需要电解质或对电极并且在低电压下运作；可以电气方式、以化学方式并且以光子方式提供动力；并且/或者在其他高工作能力的致动器都无法正常工作的极端温度下提升重负荷时提供7.3％的拉伸收缩。
本发明的实施方案可为以电化学方式加热到白炽温度的纯净捻纺纳米管纱线提供扭转和拉伸致动。
在一个或多个实施方案中，可使用复杂的盘绕纤维几何结构提高致动器性能。在一些实施方案中，可使用石蜡作为碳纳米管纱线中的原型客体，因为石蜡热稳定性高，转变宽度和温度具有可调谐性，与相转变和热膨胀相关联的体积变化大并且它们能够润湿碳纳米管。
在本发明的一个或多个实施方案中，可将加捻(twist insenion)和任选的纤维盘绕应用到普通聚合物纤维，例如，用于钓鱼线和缝纫线的高强度聚乙烯和尼龙，以获得提供扭转致动、拉伸致动或其组合的高性能致动器。在一些实施方案中，可消除对电解质、对电极和特殊包装的需要，因为致动不需要电化学过程，并且捻合且盘绕的聚合物纤维的可逆致动可以电气方式、以光子方式、以热学方式或以化学方式提供动力。
根据本发明的一个或多个实施方案，捻合且盘绕的聚合物纤维的成本和性能具有很大的优势。可商购获得的聚合物纤维作为聚合物致动器的前体相对昂贵。根据本发明的一个或多个实施方案，商业上将纤维转化成致动器所需的过程(加捻和导体的任选并入)也是昂贵的。
根据本发明的一个或多个实施方案，由以电气方式、以化学方式和以光子方式提供动力的纱线客体尺寸变化造成的混合纱线的致动生成螺旋状纱线主体的扭转旋转和收缩。
本发明的一个或多个实施方案包括捻纺纳米纤维纱线。出于本公开的目的，“纳米纤维”定义为最小横向尺寸低于1000nm的纤维。最小纳米纤维横向尺寸大多数低于100nm或低于10nm的电气互连纳米纤维的网络可尤其适用于不同实施方案。纳米带可视为具体类型的纳米纤维。
根据本发明的一个或多个实施方案，致动器材料包括以纱线形式的捻纺纳米纤维的网络或包括捻纺纳米纤维纱线的材料，诸如织造织物或编织或合股(plied)捻纺纱线。可使用各种纳米纤维以及纳米纤维合成和制造过程，如可使用不同纳米纤维类型的混合物以及纳米纤维与其他材料的混合物。作为一个实施例，尤其对于混合致动纱线，可将由静电纺丝产生的定向纳米纤维在静电纺丝期间或之后捻纺成纱线。作为另一个实施例，可为森林式导向的(forest drawn)碳纳米管片材中的纳米管涂布作为模板的另一材料(诸如陶瓷或金属)，然后进行捻纺以制成致动纱线(所述纱线可渗入有客体以制成混合致动纱线)。取决于预期的致动器部署，这种过程中的纳米管模板可任选地在捻纺之前或之后移除。
本发明的实施方案总体上涉及一种用于使用人造肌肉致动器使装置/物体围绕轴旋转的设备。所述设备可通过人造肌肉的受控加热来精确控制附接到人造肌肉的装置/物体的旋转速率。
本发明的实施方案包括由人造肌肉悬吊的桨叶，所述桨叶上可安装有装置/物体。人造肌肉在受热时旋转，热可由围绕构成人造肌肉的个别肌肉卷绕的小导线提供。例如，可使电流穿过导线，由于导线具有电阻而造成导线加热。桨叶的角旋转速度可通过改变供应到铜导线的电流，且因此改变提供到人造肌肉的热来控制。在其他实施方案中，肌肉可由传导材料构成，并且可通过人造肌肉中的传导材料直接施加电。
本发明的实施方案可设计成使桨叶以任何所要的速度旋转，所述速度可期望保持恒定或可随时间改变。实施方案还包括一种并入电子器件的设备，所述电子器件可感测附接了装置/物体的桨叶的角旋转速率。这些电子器件还可自动调整角旋转速率。
本发明的实施方案可并入限制附接了装置/物体的桨叶的运动的机构。这种实施方案可提供恒定的运动范围。此外，桨叶旋转的角度设定可通过手动旋转设备任一端处的端子来控制。也可通过其他手段诸如马达或其他人造肌肉纤维转动端子。
本发明的实施方案可在生产成本、噪声消除、控制、简单性、可替换性、设计轻巧性(svelte design)和批量生产便利性方面具有优势。本发明的实施方案可具有优于上文所讨论的马达的所有优势，以及如本文中公开的一些附加益处。
图1示出根据本发明的一个或多个实施方案的致动器装置。这些实施方案包括双稳态致动器，所述致动器包括两个致动器材料区段，其中负荷布置在至少两个区段之间。在图1A中，桨叶106为负荷，并且桨叶106处于稳定位置，而第一区段102和第二区段104处于未致动状态。如图1中所示，第一区段102的一端可固定到第一端部件108，而第二区段104的一端固定到第二端部件110。
在致动期间，如图1B中所示，第一区段102通过供应致动能量而启用，从而造成桨叶106移动(旋转)。在这种配置中，第一区段102松开，而第二区段104捻紧(uptwist)。在图1C中，桨叶106到达所需位置。然后，在图1D中，前区段102通过移除致动能量而停用，并且第二区段104通过供应致动能量而暂时启用，从而允许第二区段104变形并失去桨叶上的扭矩。这导致桨叶106处于第二稳定状态，如图1E中所示。
作为具体实施例，在图1中所公开的实施方案中，可使用15V、60mA电流以电气方式将致动能量供应到根据本发明的一个或多个实施方案的装置。在这个实施例中，桨叶重50mg，致动区段重3.7mg。
本领域的普通技术人员将了解可得益于本发明的实施方案的应用数目。本发明的一个或多个实施方案可用于房屋或结构的百叶窗和/或卷帘控制。例如，本发明的一个或多个实施方案可用于存在直射阳光加热致动材料从而调整卷帘的自动卷帘系统。此类应用还可用于引导太阳能电池板实现有效收集。
本发明的一个或多个实施方案可用于通过阀控制来引导气流通过排气口。致动期间不产生噪声可使本发明的一个或多个实施方案成为理想的实施方案。另外，基于多种触发事件，本发明的一个或多个实施方案可用于打开房屋和器具的门、盖子或舱口。
本发明的一个或多个实施方案可设计成与附加传感器(例如运动、烟雾或二氧化碳检测器)合作，并且设计成响应于此类传感器而致动。
在图1所述的实施方案中，桨叶106示出为具有平面形状，此时平面垂直于第一区段102和第二区段104；但是，这些实施例不限于此。例如，桨叶可具有平行于第一区段和第二区段或在与第一区段和第二区段相同方向上定向的平面表面。在此类实施方案中，桨叶可充当安装表面，此时装置的致动造成桨叶的表面倾斜和/或自旋。
图2为展示用于制造根据本发明的一个或多个实施方案的图1所述的致动器的方法的流程图。首先，如美国专利申请号14/610,905中所述制造致动器材料。例如，在步骤202中，将纳米纤维纱线捻合，其中纳米纤维纱线包括纳米纤维和致动材料，所述致动材料可操作用于经受体积的实质变化。然后，在步骤204中，通过使纳米纤维和致动器材料热退火来使纳米纤维纱线硬化。
在步骤206中，将纳米纤维纱线切割成第一致动区段和第二致动区段。在步骤208中，将第一致动区段的一端固定到第一端部件。在步骤210中，将桨叶布置到第一致动区段的另一端并且布置到第二致动区段的一端。桨叶可通过任何已知手段(例如环氧树脂)进行布置。在步骤212中，将第二致动区段的另一端固定到第二端部件。
在本发明的一个或多个实施方案中，可将加热器件与致动器材料一起并入到纳米纤维纱线中。例如，可围绕致动器材料缠绕传导导线，或可将涂层涂布到致动器材料。通过并入导电材料，可使用施加的电流加热致动材料。所提供的热用作致动能量。针对热过程并入加热器件可在将纳米纤维纱线切割成第一致动区段和第二致动区段之前执行。
另外，在本发明的一个或多个实施方案中，可分别建立到第一致动区段和第二致动区段的独立的第一电气连接和第二电气连接。这可通过三个连接到致动装置的电气连接建立，例如在桨叶处，两个连接分别连接到第一致动区段和第二致动区段，一个连接同时连接到第一致动区段和第二致动区段。
根据本公开内容，本领域的普通技术人员将了解，致动的大小和特征将通过致动材料的特征来确定。例如，第一区段的宽度和长度有助于确定桨叶上扭矩的量。
例如，可如图2中所述制造0.86mm厚的尼龙6捻合单丝。此类致动器可通过在1Kg重量下捻合额定值为80lb的尼龙单丝钓鱼线直到盘绕点来制造。然后可将纤维牢牢地拴住并且在150C下处理10min以固定所捻合的纤维。40AWG铜导线可用作传导材料。可用铜导线缠绕捻合纤维，导线之间留下0.2mm的间隔。可使用平坦不锈钢丝将致动器区段附接到基底(端部件)和桨叶。可将平坦不锈钢丝围绕捻合并且缠绕铜的纤维压紧，以提供机械和电气连接。
在本发明的一个或多个实施方案中，可对桨叶运动的运动范围和运动速率加以控制。在本文中所公开的实施方案中，可使用机械或电气止动件控制运动范围。例如，对于如图3中所述的振荡运动，人造肌肉可进行工程化，以使其以曲线312所述的运动振荡。所需止动件可如线314、316所展示进行工程化。根据本文中的实施方案，止动件314、316本质上可为机械的或电气的。例如，可适当放置装置以使得环境可如图1中所示限制桨叶的运动。在其他实施方案中，可适当放置简单的机械止动件来阻止桨叶的运动。
图4展示如上文所述的电气止动件的构造。在图4中，桨叶406的平面平行于人造肌肉纤维402，并且线412描述了所需运动范围。这些实施方案包括传导材料414，诸如引脚、棒、箔、纸、胶带和/或织物。这些实施方案还包括传导线416，所述传导线416连接到人造肌肉束402的表面或连接到包括在人造肌肉402中的传导材料。在此类实施方案中，桨叶运动412可由电源(未示出)控制。例如，电气接触可进行工程化，以使传导线416与传导材料414电气接触时阻止运动。在一个或多个实施方案中，可对装置进行工程化，以使得当存在电气接触时，肌肉将改变方向并且在相反方向上运动而不会过冲(overshooting)。在一个或多个实施方案中，可使用反馈回路来监测并且补偿(若需要)桨叶的位置。
图5展示根据本文中所公开的一个或多个实施方案的构造。图5中所公开的实施方案包括第一人造肌肉纤维束502和第二人造肌肉纤维束504。人造肌肉纤维502、504彼此并不直接接触，而是有材料件以机械方式连接两个肌肉但维持它们的电气分离。在一些实施方案中，所述材料件可为桨叶506；但是，实施方案不限于此。如图5中所示，通过端子520、522供应动力。电流行进通过人造肌肉达到在另一侧接地的单个接地端子524。
在图5所述的实施方案中，电流穿过端子520，造成人造肌肉502旋转，从而使桨叶506旋转。在桨叶已旋转所需角度之后，停用人造肌肉502，并且通过端子522启用人造肌肉504以开始在相反方向上旋转。
图6展示根据本文中所公开的一个或多个实施方案的另一个构造。图6中所公开的实施方案包括第一人造肌肉纤维束602和第二人造肌肉纤维束604。人造肌肉纤维602、604彼此直接接触。有材料件以机械方式连接两个肌肉。如在先前实施方案中，所述材料件可为桨叶606；但是，实施方案不限于此。如图6中所示，通过端子620、622供应动力，并且端子626、628各自连接至接地且能够断开。
在图6中所示的实施方案中，端子628从接地断开，使得人造肌肉纤维束604与接地的连接切断。电流穿过人造肌肉纤维束602，造成人造肌肉纤维束602旋转，从到使桨叶606旋转。在桨叶606已旋转所需角度之后，停用端子连接626，或从接地断开。然后启用人造肌肉纤维束604以开始在相反方向上旋转。通过将端子628连接至接地并且供应电流通过端子622，启用人造肌肉纤维束604。
图6的实施方案的优势在于可不需要同等的绝缘来隔离人造肌肉纤维束，但是这些实施方案可能需要电子器件来解决泄露到与需要启用的人造肌肉纤维相反的人造肌肉纤维中的电流。
如果两个端子626、628均连接至接地，那么通过端子620供应以启用人造肌肉纤维束602的电流也将泄露到人造肌肉纤维束604。相反肌肉的这种启用可造成整个过程的效率降低50％，因为相反肌肉反抗启用肌肉的运动。因此，端子626、628必须单独地连接至接地。在一个或多个实施方案中，这可通过使用电子开关来实现。
本文中所公开的实施方案可具有受控的角旋转速率。在一个或多个实施方案中，改变施加电压即可提供平稳的角旋转速率。电压的变化影响电流，因此影响致动人造肌肉所生成的热。在一个或多个实施方案中，以方形调制波之间的峰和谷的平均值达到所需值的方式使用在高频率下调制电压的脉冲宽度调制(PWM)。通过控制方波的宽度，平均施加电流可得以控制，并且肌肉可以所需速率加热。具体的加热速率将导致具体的旋转速率。
例如，如图7中所展示，施加电压730可为方形调制电压，使得施加电压730的平均电压732为启用人造肌肉致动器所需的电压。调制的脉冲宽度和频率提供具体的加热速率，所述加热速率导致致动器具体的旋转速率。例如，电压可为在频率为900-1000Hz的情况下调制的12V。更具体地说，电压可在980Hz下调制。调制的宽度可从10％变化至50％，这取决于人造肌肉纤维负荷、环境温度、人造肌肉纤维的内阻等。
图8展示根据本发明的一个或多个实施方案的装置。图8所述的实施方案包括旋转平台806(例如，桨叶或导板)、第一人造肌肉束802和第二人造肌肉束804。第一人造束802电气连接在端子820与共同端子824之间，而第二人造肌肉束电气连接在端子822与共同端子824之间。旋转平台806定位在共同端子824处。在这些实施方案中，第一人造肌肉802和第二人造肌肉804可包括在设备的各个点处结合在一起的一个或多个人造肌肉纤维或人造肌肉纤维束。这些实施方案还可包括导向轴承834。可围绕肌肉增加导向轴承834以使旋转平台806变得稳定。导向轴承834可附接到桨叶并且允许人造肌肉束在导向轴承834内部自由旋转。图8所述的实施方案还可包括传感器设备836。提供传感器设备836以检测旋转平台806的角度。
如在先前实施方案中，实施方案包括通过施加热使每个人造肌肉旋转。对于这些肌肉中的一些肌肉，热是由电流穿过围绕肌肉纤维的薄传导层/导线/元件和/或加热元件所致的电阻提供。所述束中的其他人造肌肉可不具有围绕它们卷绕的任何导电材料，且因此这些人造肌肉通过吸收来自制成为导电的邻近肌肉的热来获得热。角旋转速度可通过改变供应到传导层的电流，且因此改变提供到人造肌肉的热来控制。可替代地，所有人造肌肉可包括传导材料，并且可通过它们直接施加电。
在图8所述的实施方案中，跨越端子820向设备中心的共同接地端子824施加电压。这造成第一人造肌肉束802具有为加热和启用所施加的电压，从而造成旋转平台806旋转。当达到所需角度时，从端子820移除电压，并且向端子822施加电压，这使得第二人造肌肉束804启用。一旦启用，第二人造肌肉束804致使旋转平台806在相反反向上旋转。
如上文所述，可改变施加的电压，使得流经肌肉的电流的有效量受到控制。上文所述的脉冲宽度调制(PWM)可特别适用于仅指定电压可供使用的情况。角旋转速率可设定成具有具体速率，或角旋转速率可设定成基于具体应用需求而改变。
在这些实施方案中，设备可用作双稳态人造肌肉，其中加热第一人造肌肉束或第二人造肌肉束中的一个以使旋转平台806锁定到位。这可特别适用于有必要使旋转平台806停止旋转但不耗电的情况。
图9展示根据本发明的一个或多个实施方案的传感器设备的实施方案。传感器设备936包括编码器938，所述编码器938可附接到桨叶906并且包封人造肌肉纤维902。编码器938可包括孔940。传感器942用于使用孔940检测编码器938的位置。因而，可确定桨叶906的角位置。
在其他实施方案中，桨叶的位置可通过人造肌肉纤维的内阻由于致动器在扭转期间的捻度变化而变化来确定。
本文中所公开的实施方案还包括用于2-D角旋转的致动器装置，为桨叶提供以圆形角方式旋转的能力。例如，图6中所公开的实施方案可修改成包括添加基本上垂直于图6中所示的人造肌肉纤维的人造肌肉纤维束。在这种方案中，可使用交替的绝缘材料层防止肌肉电气接触。桨叶可设计成当桨叶旋转时防止桨叶边缘与肌肉纤维之间不当接触。即，桨叶可设计成使得桨叶边缘不触碰垂直于正启用的肌肉的人造肌肉。
在本文中所公开的实施方案中，人造肌肉纤维可以多种方式附接和连接。例如，对于传导连接，可使用不锈钢、铜、黄铜或其他可延展的平坦金属牢牢地固定(夹紧)肌肉并且传导电流。在一些实施方案中，可使用金属管。可将人造肌肉纤维插入到金属管中并且围绕肌肉或束压紧。在其他实施方案中，可使用传导性环氧树脂。
根据本发明的一个或多个实施方案，碳纳米管(CNT)可由于它们的强度、导电性和机械强度而用于致动材料中。可用类型的CNT包括多壁碳纳米管(MWNT)、少壁碳纳米管(FWNT)和单壁碳纳米管(SWNT)。即使当纳米管直径足够大使得SWNT或FWNT折叠成带时，此类SWNT和FWNT也仍适用。
根据本发明的一个或多个实施方案，可使用包括石墨烯片材的纳米带的捻纺纳米纤维纱线。一种用于将这些石墨烯带制备成高长宽比纳米纤维的方法是通过将碳纳米管解链。这种解链过程可在将CNT阵列(诸如CNT)捻纺成纱线之前或之后完成。
根据本发明的一个或多个实施方案，可使用固态和液态处理方法两者产生捻合纳米纤维纱线。可用的溶液纺丝方法的一些实施例为基于聚合物凝结的纺丝方法和不涉及聚合物凝结剂的基于溶液的纺丝方法。为了提供捻合纳米纤维纱线，必须在纱线溶液纺丝期间或之后进行纱线加捻。
根据一个或多个实施方案，对于使用在溶液纺丝之后仍留在纱线中的凝结剂(诸如聚合物)进行溶液纺丝，通常需要在使用这些纱线制备捻纺纱线之前移除这些凝结剂。
因为在使用溶液纺丝制备捻合纱线的这些复杂情况，以及在溶液纺丝的CNT分散期间的CNT长度衰减，所以在一个或多个实施方案中可使用直接得到合适于纺丝的纳米管组件的化学气相沉积方法。不涉及液体中CNT的分散的此类纺丝方法称为固态纺丝，不管在处理期间或之后是否使用了液体。所得纱线可通常比通过溶液纺丝得到的纯净纱线强度更大并且能够适应更高程度的加捻。
一种此类固态纺丝方法涉及使用浮动催化剂的化学气相沉积(CVD)合成纳米管，和随后的纱线拉延，对收集的CNT气凝胶进行加捻。基于捻合的纺丝的其他方法涉及对从已通过CVD在基底上合成的纳米管森林拉延的纳米管气凝胶片材进行加捻。此类加捻可在从CNT森林拉伸片材期间或在片材或片材堆叠已从CNT森林拉延之后进行。
致动器区段的一个或多个实施方案可使用以下方法制造，以制备捻纺非盘绕和盘绕CNT纱线。通过将乙炔(C2H2)气用作碳前体在涂布铁催化剂的硅晶片上进行化学气相沉积，生长出用于产生捻纺纱线的可拉延碳MWNT森林。大约高350μm的森林的透射和扫描电镜(SEM)图像表明MWNT可具有大约9nm的外径，含有约6个壁并且形成大的束。热重量分析指示拉延纳米管中不可燃材料的量可低于1重量％，其可提供残余催化剂量的上限。
可制造小直径和大直径纱线，其中加捻导致三种不同的涡卷几何结构：费马式(Fermat)、阿基米得式(Archimedean)和双阿基米得式(dual-Archimedean)。小直径纱线可通过在从森林拉延片材期间或对悬浮在森林与一个刚性端部支撑物或两个刚性端部支撑物之间的预拉延纳米管片材进行对称加捻而制成。因为端部约束的差异，这些方法可提供费马式涡卷(对于片材连接到森林的前面情况)和双阿基米得式(针对后一种情况)，其中使用两个刚性棒支撑物。纱线直径可通过从约0.5cm至约5cm改变拉延森林宽度而从约10μm至约30μm变化。可通过将20至40个MWNT片材(1.0cm至2.5cm宽并且5cm至17cm长)堆叠在刚性棒之间并且使用电动马达进行加捻来制造直径大得多的双阿基米得式纱线，而片材堆叠的一端支撑5g重量，拴系所述重量以禁止旋转。在一个或多个实施方案中，需要大约150匝来将5cm长的30片材堆叠折叠成具有双阿基米得式结构的4.5cm长纱线。在加捻期间引入不对称应力可将这些费马式和双阿基米得式纱线转化成阿基米得式纱线。
根据一个或多个实施方案，在从森林拉延片材期间直接纺丝的费马式纱线可用于浸没驱动扭转致动、聚二乙炔混合纱线致动器、双股纱线致动器和非合股填充蜡的扭转致动器。这种费马式纱线可通过将一定长度的纳米管片材从森林拉延，然后经由马达和刚性支撑物对片材的一端进行加捻，同时允许另一端从MWNT森林自由拉延来制造。除非另有说明，否则可相对于最终纱线长度来归一化加捻。针对其他情况，当在大多数情况下在片材堆叠中进行加捻以形成双阿基米得式纱线时，捻合可归一化成片材堆叠的长度。
根据加捻的方向，纱线可分类为S纱线或Z纱线(分别用于顺时针和逆时针加捻)。如果纱线中的所有区段在对应结构水平下具有相同手性，那么纱线可视为同手性的(homochiral)。这意味着，例如，SZ双股纱线(其中S捻合是由于合股并且Z捻合在每个股内)是同手性的。如果纱线具有在相同结构水平下手性不同的区段，那么纱线称为异手性的(heterochiral)。对于异手性纱线，不同手性纱线区段可主要是彼此的镜像。
目前使用的“加捻度(inserted twist)”一词(其有时称为连接数)为纱线内部捻合和由盘绕造成的捻合的总和。与其他结构术语一样，“纱线直径”是指部件纱线甚至当其在盘绕或合股结构内时的直径，从而不同于“盘绕纱线直径”或“合股纱线直径”。
与对于普通织物纱线、橡胶带和DNA分子一样，过捻合MWNT纱线造成盘绕(其可称为“扭曲”)。此类盘绕以及合股纱线中的盘绕，与非盘绕纱线相比，可用于显著放大拉伸行程和工作能力。可通过进行附加加捻直到纱线收缩为其初始长度的30-40％来在恒定负荷下由非盘绕捻纺纱线制造盘绕纱线。对于在4g负荷下通过在40个共定向、9mm宽、15cm长片材的堆叠中进行加捻所制成的双阿基米得式纱线，盘绕可能以大约580匝开始，并且纱线可在大约620匝之后被完全盘绕。加捻直到完全盘绕可产生纱线长度的60％的收缩。
盘绕纱线一词在本文中通常用于指至少在一些纱线部分中具有大约螺旋状形状的纱线，不管这种盘绕是否是由于简单的纱线过捻合或诸如纱线合股的过程。
取决于应用需要，用于制造捻纺纳米纤维纱线的纳米纤维片材可以任选地在加捻之前致密化。另外，由捻纺产生的纳米纤维纱线可以可选地在加捻之后或期间致密化。由于有液体浸润和随后液体蒸发的过程，用于使片材致密化的特别便利的方法是通过使用表面张力作用。
根据本发明的一个或多个实施方案，纳米纤维(尤其是聚合物纳米纤维)的静电纺丝可提供针对捻纺纳米纤维纱线的适用替代途径，所述捻纺纳米纤维纱线为混合纱线致动器提供适用主体。在一个实施方案中，纳米纤维可首先使用任何已知的静电纺丝方法来静电纺丝成定向的纳米纤维片材。与碳纳米管片材类似，这些纳米纤维片材捻纺成纱线。通过在捻纺之前客体沉积在片材上或通过在捻纺之后并入客体，可在主体纱线内提供用于碳纳米管致动器的客体。
根据一个或多个实施方案，各种已知的加捻方法可用于在纺丝成纱线期间进行加捻。这种方法包括但不限于环锭纺丝、走锭纺丝、帽锭纺丝、自由端纺丝、涡流纺丝和假捻纺丝技术。
包括纳米纤维的捻纺纱线可适用于选定的实施方案。产生的巨大界面能量可以便利地将熔融客体限制在混合纱线致动器中。例如，致动的填充蜡的纱线中的熔融蜡可在冷却时经受部分体积减小。如果发生这种蜡体积变化但不减小纱线体积，那么纳米管-石蜡界面能量将以纳米管的重量表面积的能量为代价而被纳米管-空气界面能量替代。在随后通过加热和对应的蜡膨胀进行的纱线致动期间，纱线中的这种弹性能量可被逐渐释放，从而在整个致动周期内维持熔融蜡与纱线体积之间的一致性。因此，纱线表面上的过量蜡，以及蜡蒸发可缩短拉伸行程。
根据本发明的实施方案，可使用直径非常大和非常小的捻合纳米纤维纱线。但是，纳米纤维纱线的负荷承载能力通常随着纱线直径增加而增加。4μm至50μm的单股碳纳米管纱线直径可直接从400μm高碳纳米管森林捻纺，并且增加的森林高度和增加的森林密度增加可通过纺丝给定宽度的森林而获得的纱线直径。可将来自400μm高碳纳米管森林的片材预拉延、堆叠然后捻纺以产生具有数百微米直径的单股纱线。这些直径可通过纱线合股并且通过在加捻之前并入客体而显著增加。
通过使用专门的技术，可从碳纳米管森林捻纺直径小至100nm的碳纳米管纱线。对于微米级和更小级别的应用，两条纳米线的自捻合可产生纳米级合股纱线结构。
本发明的实施方案可经受至少30次初始训练周期，以使混合纱线的结构稳定，并且从而在随后评估期间实现高度可逆的运作持续超过200万个可逆致动周期。
根据一个或多个实施方案的将客体致动材料并入到主体纱线中的方法包括例如熔体和溶液浸润(其可在原位聚合之前进行)和双重涡卷，其中客体在加捻之前沉积在MWNT片材上。可使用石蜡作为客体，因为石蜡热稳定性高，转变宽度和温度具有可调谐性，与相转变和热膨胀相关联的体积变化大并且它们能够润湿碳纳米管纱线。
还可使用液态和类液态客体沉积，诸如电泳沉积、基于溶液过滤的沉积(其使用纳米管片材堆叠作为过滤器以捕获客体纳米粒子)、滴铸和喷墨印刷。
在一个或多个实施方案中，选择以热学方式、以电热方式和以光热方式提供动力的致动器的体积变化客体可取决于由固态相转变、固体-熔体相转变以及从相转变区移除的温度区中的固态和液态热膨胀系数造成的体积变化而进行。石蜡可提供以下优势，即热-尺寸变化的温度和急剧程度均为高度可调谐的。另外，这些蜡是无毒的。其他长链分子，如聚乙二醇类和脂肪酸，也适合采用。这些分子，和可用于热能储存的类似分子，可用作捻纺致动器中的客体，因为相转变的高焓值通常与大幅体积变化相关联。有机转子晶体(Organic rotator crystal)(一些长链分子可能属于有机转子晶体)是可用的，因为通过可具有大幅关联体积变化的固态转变引入了旋转无序。因为挥发性小，所以作为离子晶体的塑性晶体可为适用的。在相对低的温度下致动的一个实施例是二氰胺四乙基铵，其在17℃与20℃之间发生的固态相转变下可经受急剧的5.7％体积膨胀。
在客体材料可以液体形式制备并且稍后凝固的一个或多个实施方案的应用中，当纳米纤维纱线仍具有低加捻程度时浸润纳米纤维纱线可为有用的。这很有利，因为低捻合纳米纤维纱线仍未通过加捻来充分致密化，所以纳米纤维之间可有相对大量的空隙体积。这种大的空隙体积(测量为总纱线体积的百分比)可允许并入大体积百分比的纱线客体，从而放大了致动。这种低捻合浸润方法可施加到例如吸收到捻合纳米纤维纱线中作为前体液体树脂然后聚合的纳米纤维纱线客体，或在熔融状态时浸润到捻合纳米纤维纱线中然后凝固的聚合物或聚合物混合物。在树脂固化或聚合物凝固之后，如果填充客体的纱线仍保留足够的柔韧性，那么可将更多的捻合施加到获得的混合纱线以将其充分盘绕。如果在盘绕主体纳米纤维纱线之后施加客体材料，那么纱线中将有少得多的空隙空间可供使用，因此可并入较少客体材料。可以这种方式制备含有95％硅橡胶的双阿基米得式纱线。在一个或多个实施方案中，硅橡胶可用作基于混合纱线的拉伸致动器的合适的客体材料，因为其对于热、电热或光热致动具有宽的工作温度范围(-55℃至300℃)和大幅线性热膨胀(3x 10-4/K)。由于可使用这种低捻合浸润方法并入的客体材料的体积百分比很高，所以可获得非常长的致动器行程。使用这种低捻合浸润方法，对于电气脉冲加热含有硅橡胶客体的盘绕碳纳米管纱线，可获得在5MPa拉伸负荷下高达34％的拉伸收缩。
在一个或多个实施方案中，混合纳米纤维纱线致动器可以任选地由以下过程制造：(a)进行比盘绕所需少的加捻；(b)浸润熔融聚合物或未固化的聚合物树脂；(c)使聚合物凝固或使聚合物树脂固化以及(d)进行足以造成纱线盘绕的加捻。事实上，在浸润熔融聚合物或未固化的聚合物树脂之前进行的加捻可全部或大部分是假捻，例如，通过在一个方向上捻合然后在相反方向上松开而获得。
上文假设了相等长度的纱线区段和在任一纱线中点处的负荷(或桨叶)位置以避免上文讨论的任何不必要的复杂性。取决于应用需要，负荷不一定在纱线中心处。事实上，在诸如图1中所展示的一些应用中，可沿着纱线长度使用多个桨叶。
另外，因为未致动的纱线长度可在许多情况下用作扭转回位弹簧，所以这些未致动的纱线长度可被由各种材料(包括不包含纳米纤维的纱线或纤维)制成的扭转回位弹簧替代。对于致动不同纱线区段的情况，这些纱线区段不必具有相反的手性或甚至由相同材料制成。
本发明的一个或多个实施方案可有利地为扭转热驱动式致动器大幅节约能量并降低机械复杂性。本发明的实施方案可以潜在地扩展到2个以上稳定状态。本发明的一个或多个实施方案可对环境温度的变化不敏感。
本发明的实施方案可在热调节中有所应用，例如将表面从吸收切换到反射。本发明的实施方案可用于相对于阳光调节太阳能电池以改良吸收。本发明的实施方案还可在表面清洁中有所应用，例如从疏水表面变化到亲水表面。本发明的实施方案还可在军事伪装应用中有所应用。本领域的普通技术人员将了解致动器在许多工业中有所应用并且甚至可出于装饰目的或时尚而使用。
如相对于图8所述，一个或多个实施方案可包括导板型桨叶。导板型桨叶可用于为装置诸如激光器、光学检测器(相机、光电二极管等)和/或其他类型的传感器导向(directionalize)。在其他实施方案中，导板型桨叶本身可用作阻隔件，例如，用作排气口的闸板以为气流或水流导向，或阻挡光(即，相对于光源提供遮挡)。
此外，本领域的普通技术人员应当理解本发明不应限于图示中所描绘和说明书中所述的具体实施例。虽然本发明已相对于数量有限的实施方案进行了描述，但享有本公开权益的本领域技术人员将了解到，可以设计不脱离如本文所述的本发明的范围的其他实施方案。因此，本发明的范围应当仅受到所附权利要求书的限制。

Claims (15)

1.一种致动器装置，其包括：
捻纺人造肌肉纤维的第一致动区段，其中所述第一致动区段的一端连接到第一端子并且所述第一致动区段的另一端连接到第二端子；
捻纺人造肌肉纤维的第二致动区段，其中所述第二致动区段的一端连接到第三端子并且所述第二致动区段的另一端连接到第四端子；
桨叶，所述桨叶布置在所述第一致动区段和所述第二致动区段上；
加热器件，所述加热器件连接到所述第一致动区段和所述第二致动区段，其中所述加热器件独立地提供呈热形式的能量到所述第一致动区段和所述第二致动区段，
其中所述致动器装置通过致动所述第一致动区段或所述第二致动区段来将所述桨叶移动到所需位置。
2.如权利要求1所述的装置，其还包括：
其中所述第一致动区段和所述第二致动区段被线性布置，并且所述第二端子和所述第三端子电气连接。
3.如权利要求2所述的装置，其还包括：至少一个导向轴承，所述导向轴承布置在所述桨叶上。
4.如权利要求2所述的装置，其还包括：传感器设备，所述传感器设备检测所述桨叶的角位置。
5.如权利要求1所述的装置，其还包括：电气止动件，其中所述电气止动件在电气连接之后阻止所述桨叶的旋转。
6.如权利要求1所述的装置，其还包括：机械止动件，其中所述机械止动件阻止所述桨叶的旋转。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述桨叶包括平面表面，所述平面表面定向成平行于所述致动装置的旋转轴。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述加热器件为以电气方式加热的传导材料。
9.如权利要求1所述的装置，其中所述加热器件为使用脉冲宽度调制(PWM)以电气方式加热的传导材料。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述第一致动区段和所述第二致动区段各自包含选自由以下项组成的组的聚合物纤维：尼龙6、尼龙6，6、聚乙烯、聚偏二氟乙烯和其组合。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述第一致动区段和所述第二致动区段各自包含碳纳米管(CNT)。
12.如权利要求7所述的装置，其中所述第一致动区段和所述第二致动区段各自还包含石蜡。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述桨叶为导板型桨叶。
14.如权利要求13所述的装置，其中光学检测器安装在所述导向型桨叶上。
15.一种用于制造致动器装置的方法，所述方法包括：
捻合人造肌肉纤维，所述人造肌肉纤维包含纳米纤维和致动纱线客体，所述致动纱线客体可操作用于经受由变化过程造成的体积变化；
通过使所述纳米纤维和所述致动纱线客体热退火来使所述人造肌肉纤维硬化；
将所述人造肌肉纤维切割成第一致动区段和第二致动区段；
将所述第一致动区段的一端固定到第一端子，并且将另一端固定到第二端子；
将所述第二致动区段的一端固定到第三端子，并且将另一端固定到第四端子；
将桨叶布置在所述第一致动区段和所述第二致动区段上；
将加热器件布置到所述第一致动区段和所述第二致动区段，其中所述加热器件独立地提供呈热形式的能量到所述第一致动区段和所述第二致动区段，
其中所述致动器装置通过使用所述加热器件启用所述第一致动区段或所述第二致动区段来将所述桨叶旋转到所需位置。
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